摘　要：探討船舶油改氣的技術(shù)方案，以及幾種船舶LNG加氣方式(岸基LNG加氣、水上LNG加氣站加氣、動(dòng)力LNG加氣船加氣、應(yīng)急加氣)。分析船舶油改氣后的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，介紹了LNG船舶的安全性及安全措施。

關(guān)鍵詞：LNG船舶；  油改氣；  柴油—LNG雙燃料

Discussion on Technical Scheme and Economy for Conversion from Oil to Gas for Ships

Abstract：The technical scheme for conversion from oil to gas for ships and several LNG refueling modes for ships including shore-based LNG refueling，on-the-water LNG station refueling，LNG-powered ship refueling and emergency refueling are discussed．The economic and environmental benefits after conversion from oil to gas for ships are analyzed．The security and safety measures of LNG-powered ships are introduced．

Keywords：LNG-powered ship；conversion from oil to gas；diesel．LNG dual fuel

1　概述

進(jìn)入21世紀(jì)，氣候變化問(wèn)題已成為影響人類(lèi)社會(huì)發(fā)展和全球政治經(jīng)濟(jì)格局的重大戰(zhàn)略課題，交通運(yùn)輸作為能源消費(fèi)和溫室氣體排放的重點(diǎn)行業(yè)之一，是推進(jìn)節(jié)能減排工作的重要領(lǐng)域。因此，在水運(yùn)交通方面推廣清潔能源對(duì)低碳運(yùn)輸、保護(hù)水質(zhì)具有十分重要的作用和意義。

使用液化天然氣(LNG)作為內(nèi)河船舶燃料，在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、減少污染物排放、促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、降低船舶運(yùn)營(yíng)成本等方面都具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)^[1]。本文就船舶油改氣的改裝技術(shù)方案及優(yōu)越性進(jìn)行探討。

2　船舶油改氣改裝技術(shù)方案

柴油船舶改裝分為兩種，其燃料分別是LNG單燃料或柴油—LNG雙燃料。為了提高船舶的經(jīng)濟(jì)性，國(guó)內(nèi)柴油機(jī)廠紛紛進(jìn)行LNG單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究，LNG單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)逐漸成熟，國(guó)內(nèi)廣柴、玉柴等公司均有成品面市。LNG單燃料船舶與柴油—LNG雙燃料船舶相比，LNG能完全替代柴油，還能提高運(yùn)行中天然氣的利用效率，從而進(jìn)一步降低燃料成本。但考慮當(dāng)前船舶LNG加氣站等基礎(chǔ)設(shè)施不健全，船舶加氣得不到保障，一旦燃料補(bǔ)給出現(xiàn)問(wèn)題，船舶就會(huì)停運(yùn)，因此LNG單燃料船舶初期推廣難度較大，本文著重介紹柴油—LNG雙燃料船舶的改裝技術(shù)。

3　改裝成柴油—LNG雙燃料船舶技術(shù)方案

以柴油—LNG雙燃料替代柴油單一燃料，船舶改造后，由單獨(dú)用油工作模式改為單獨(dú)用油、油氣摻混使用兩種工作模式。主要需改造和新裝的為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的柴油機(jī)、柴油—LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、機(jī)艙外的LNG儲(chǔ)氣供氣系統(tǒng)、消防系統(tǒng)，各系統(tǒng)或設(shè)備包含的關(guān)鍵設(shè)備或部件、主要功能和狀態(tài)見(jiàn)表1。

①柴油—LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)

改裝后，船舶保持原有柴油機(jī)主體結(jié)構(gòu)和燃燒方式不變，增加一套LNG儲(chǔ)氣供氣系統(tǒng)和柴油—LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)，通過(guò)電子轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)柴油單一燃料燃燒和油氣雙混燃燒兩種運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換。加裝柴油—LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)后，通過(guò)接收各種傳感器信號(hào)，柴油—LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)中的電子控制單元(ECU)將嚴(yán)格限制柴油的供應(yīng)量，并同步協(xié)調(diào)控制天然氣的噴射量。

柴油—LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)通過(guò)控制柴油機(jī)原有的燃油泵的輸出限制柴油供應(yīng)量，天然氣經(jīng)過(guò)天然氣噴射閥精確計(jì)量后噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)。天然氣噴射量由電子控制單元根據(jù)傳感器信號(hào)，通過(guò)控制天然氣噴射閥的有效開(kāi)度來(lái)確定。

安裝柴油—LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)后，在全柴油工作模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式與原來(lái)完全相同，不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的供油，供油量與未安裝柴油—LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)前完全一致。

②LNG儲(chǔ)氣系統(tǒng)

LNG儲(chǔ)氣系統(tǒng)包含LNG儲(chǔ)罐(或瓶組)、氣化器以及各種閥門(mén)和安全裝置。LNG儲(chǔ)罐采用雙層金屬、真空結(jié)構(gòu)，保冷性能優(yōu)異，同時(shí)配備有各種安全裝置，可確保超壓和碰撞情況下系統(tǒng)的安全。LNG儲(chǔ)罐很大程度上決定了改裝成本，其形式和容積需根據(jù)改裝船舶的構(gòu)造、加氣方式、經(jīng)濟(jì)航速、航程、耗油量等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行選擇。

4　加氣方式

①岸基加氣

岸基加氣是最規(guī)范的加氣模式，儲(chǔ)存規(guī)模為500m³以上。在岸上設(shè)置LNG低溫儲(chǔ)罐，并在碼頭設(shè)置加氣槍?zhuān)ㄟ^(guò)管廊將岸上儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG輸送到碼頭，給船舶加氣。但通過(guò)管廊輸送LNG將產(chǎn)生一定量的存液，需要回收處理。

②水上LNG加氣站加氣

水上LNG加氣站是利用水上躉船作為加氣船，船艙作為儲(chǔ)液倉(cāng)。此種加氣方式受水位影響小，適應(yīng)性強(qiáng)，減少了管廊輸送LNG的環(huán)節(jié)，能夠減少LNG損耗^[2]。但此種方式造價(jià)高，且儲(chǔ)存規(guī)模較岸基加氣站小，一般為100～200m³。

③動(dòng)力LNG加氣船加氣

動(dòng)力LNG加氣船作為LNG運(yùn)輸補(bǔ)給船舶，可直接給其他船舶加氣，在加氣過(guò)程中用專(zhuān)用LNG低溫軟管進(jìn)行連接，以適應(yīng)船體間的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)給船舶加氣。該加氣方式主要對(duì)正在作業(yè)的工程船和區(qū)域運(yùn)營(yíng)船進(jìn)行應(yīng)急保障，加氣方式靈活機(jī)動(dòng)，提高了LNG的供應(yīng)保障能力。

④應(yīng)急加氣

在不具備建設(shè)LNG加氣站條件的散貨碼頭，可以利用LNG移動(dòng)加液車(chē)加氣或吊換LNG瓶組(對(duì)于采用瓶組式LNG儲(chǔ)氣系統(tǒng)的改裝船)。利用LNG移動(dòng)加液車(chē)加氣時(shí)，LNG移動(dòng)加液車(chē)可以直接?？吭谘b卸區(qū)內(nèi)給船舶加氣(見(jiàn)圖1)。

對(duì)于采用瓶組式LNG儲(chǔ)氣系統(tǒng)的改裝船，可以將提前充裝好的備用瓶組運(yùn)至碼頭，每只容積500L的鋼瓶充液后質(zhì)量約700kg，加氣時(shí)改裝船?？吭诖a頭，用簡(jiǎn)易吊裝設(shè)備即能吊換LNG瓶組。如遇枯水期船舶無(wú)法靠岸，也可用小船運(yùn)輸LNG瓶組至改裝船進(jìn)行吊換。應(yīng)急加氣方式經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對(duì)碼頭的要求低，適用于船舶油改氣項(xiàng)目初期試點(diǎn)階段。

5　改裝前后的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益比較

①經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)于柴油—LNC雙燃料船舶，LNG替代約70％的燃油時(shí)(LNG替代率為70％)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，即LNG與柴油使用比例(質(zhì)量比)約為7：3。根據(jù)柴油—LNG雙燃料船舶運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，船舶油改氣后預(yù)計(jì)能節(jié)約16％～20％的燃料成本，運(yùn)營(yíng)企業(yè)的贏利能力將因此大大增強(qiáng)。

2000t級(jí)散貨船改裝前后的經(jīng)濟(jì)效益比較見(jiàn)表2(表2中的數(shù)據(jù)是實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù))，其他幾種船舶改裝前后燃料費(fèi)用及投資回收期測(cè)算見(jiàn)表3。

②環(huán)境效益

天然氣為綠色能源，完全燃燒僅產(chǎn)生水和二氧化碳，不對(duì)大氣環(huán)境造成污染。且LNG在液化前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的凈化，因而雜質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柴油、汽油。船舶油改氣后，將大大降低CO2、S、煙塵、廢油、廢水的排放量，降低噪聲，減少水質(zhì)及大氣污染，提高環(huán)境質(zhì)量，對(duì)建設(shè)“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”社會(huì)、實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)具有重大意義。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委提供的能源碳排放量計(jì)算方法，LNG與燃油的碳排放強(qiáng)度系數(shù)分別為0.27和3.18，即每消耗1kg LNG產(chǎn)生0.27kg的CO2，每消耗1kg燃油產(chǎn)生3.18kg的CO2，據(jù)此對(duì)2000t級(jí)散貨船改裝前后的碳減排量進(jìn)行測(cè)算比較，見(jiàn)表4。

6　安全性和安全措施

船舶“油改氣”市場(chǎng)雖然廣闊，但LNG作為船舶新興綠色能源，能否正確認(rèn)識(shí)和解決安全問(wèn)題，對(duì)船舶“油改氣”的推廣至關(guān)重要。與常規(guī)燃料相比，LNC具有低溫、易燃、易爆的特性，但從以往LNG運(yùn)輸船舶的運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看，擁有40多年非常良好的安全記錄，尚未發(fā)生人員死亡或貨物損毀的海上事故。因此，LNC的易燃、易爆等風(fēng)險(xiǎn)，可通過(guò)適當(dāng)?shù)膰o(hù)、防爆、通風(fēng)等措施予以控制，同時(shí)，找出主要風(fēng)險(xiǎn)源，從而有效預(yù)防和控制風(fēng)險(xiǎn)。

LNG改裝船危險(xiǎn)主要集中在“三點(diǎn)一線，四大部件”，即LNG儲(chǔ)罐、發(fā)動(dòng)機(jī)、充裝口、管道系統(tǒng)(含相關(guān)閥件)，主要危險(xiǎn)在于燃?xì)庑孤┒a(chǎn)生火災(zāi)危害。因此，在重要危險(xiǎn)源部位安裝燃?xì)庑孤﹫?bào)警器及自動(dòng)切斷裝置，劃分重點(diǎn)防火區(qū)域，建立完善的安全監(jiān)控系統(tǒng)，以保證船舶安全運(yùn)行^[3]。

另一方面，相關(guān)監(jiān)管部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)改裝船只的船員進(jìn)行培訓(xùn)，對(duì)船舶公司的質(zhì)量管理體系進(jìn)行有效監(jiān)管，消除安全隱患。近年來(lái)，中國(guó)船級(jí)社陸續(xù)完成了LNG動(dòng)力船相關(guān)指南、原則、技術(shù)要求等的制定工作，《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》已于2013年9月1日正式發(fā)布，《天然氣燃料動(dòng)力船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)定》也已上報(bào)中國(guó)海事局，法規(guī)、規(guī)范體系的逐步完善，為船舶油改氣產(chǎn)業(yè)筑起了一道強(qiáng)有力的安全保障。

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[3]楊培舉．油改氣的安全命題[J]．中國(guó)船檢，2013(9)：11-14．

本文作者：羅燦保

作者單位：宜春深燃天然氣有限公司